การคำนวณทางชลศาสตร์ของท่อพีอี

การออกแบบระบบส่งน้ำสำหรับท่อพีอี นั้นมีสูตรการคำนวณอยู่ด้วยกันหลายสูตรซึ่งก็แล้วแต่ลักษณะการใช้งานและผู้ออกแบบ โดยในส่วนของการคำนวณทางด้านชลศาสตร์มีโมเดลดังนี้

11
สมการนี้เหมาะสำหรับการคำนวณท่อส่งน้ำรับแรงดัน หรือท่อซึ่งไหลแบบแรงโน้มถ่วง (gravity) โดยมีสูตรการคำนวณดังนี้

Q = 0.279 C D2.63 I0.54
D = 1.625 (Q/C )0.38 I-0.205
I = 10.666C-1.85D-4.87Q1.86
โดยที่ D = เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ (เมตร)
Q = อัตราการไหล (ลูกบาศ์กเมตรต่อวินาที)
C = สัมประสิทธิ์การไหล (-)
I = ความลาดชันทางชลศาสตร์ (เมตรต่อเมตร)
สมการนี้มีความซับซ้อนกว่าสูตรของ Hazen – Williams เหมาะสำหรับการคำนวณท่อส่งน้ำรับแรงดัน หรือท่อซึ่งไหลแบบแรงโน้มถ่วง (gravity) โดยมีสูตรการคำนวณดังนี้

222
โดยที่ f = friction factor (-)
Re = Reynolds number (V x D/ν ) (-)
0.5×103 – 2×103 (laminar flow)
2.0×103 – 4×103 (transition flow)
> 104 (turbulent flow)
ν = kinematic viscosity of water (m2/s)
k = สัมประสิทธิ์ความขรุขระ (mm)
D = เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ (mm)
สมการนี้เหมาะสำหรับท่อส่งน้ำไม่รับแรงดัน ไหลแบบแรงโน้มถ่วง (gravity) และการไหลแบบไม่เต็มท่อ โดยมีสูตรการคำนวณดังนี้

V = M x R2/3 x I1/2
Q = M x A x R2/3 x I1/2 
D = 1.548 x (Q/M)0.375 x I-0.1875
โดยที่ D  =  เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อ (เมตร)
  Q  =  อัตราการไหล (ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที)
  V  =  ความเร็วการไหล (เมตร/วินาที)
  M  =  Manning number
     =  1/n
   R  =  ไฮดรอลิก พารามิเตอร์
     =  พื้นที่รับน้ำ (m2)/เส้นรอบรูปเปียก (m)
     =  D/4 for 100% filled pipe
   I  =  ความลาดชันทางชลศาสตร์ (เมตรต่อเมตร)
Type of Pipes   k C M n
Polyethylene (PE)   0.012 150 105 0.009
วีโฮไลท์ (Weholite) – D > 550 mm 0.2 135 95 0.010
– D < 500 mm 0.5
ท่อเหล็ก (Steel pipe) – New 0.06 130 85 0.012
– Old > 0.5 115 60 0.017
Ductile Iron pipe
– New 0.06 130 80 0.013
– Old > 0.5 90 60 0.017
ท่อคอนกรีต – New 0.03 135 75 0.013
– Old > 2.0 90 60 0.017
วอเตอร์แฮมเมอร์ (Water Hammer) และ คลื่นกระแทก (Surge pressure) คือปรากฏการณ์ที่ความดันในท่อมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงและรวดเร็ว ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้น หรือลดลงของความเร็วของการไหลในเส้นท่อ โดยสาเหตุส่วนใหญ่มาจาก เช่น การเปิด-ปิดประตูน้ำหรือวาล์ว, การเปิด และปิดปั๊ม, ไฟฟ้าดับ หรือสถานการณ์อื่นๆซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความเร็วในเส้นท่อ

การเกิดคลื่นกระแทก (Surge pressure) มีทั้งแบบที่เกิดขึ้นบ่อยๆ (Recurring surge pressure, PRS) หรือ แบบที่นานๆเกิดที (Occasional surge pressure, POS)

โดยสูตรซึ่งใช้ในการคำนวณหาค่า Surge หรือ Water Hammer เป็นดังนี้

333

ΔP = แรงดันที่เพิ่มขึ้นจากการเกิด Water hammer (เมตร)
ΔV = ความเร็วที่เปลี่ยนไป (เมตรต่อวินาที)
g = 9.81 (เมตรต่อวินาที2)
C = ความเร็วของคลื่นแรงดัน (เมตรต่อวินาที)
PE MATERIAL CLASSIFICATION SDR C (m/s)

PE 80

PE100

33 207
26 230
21 258
17 289
13.6 325
11 365
9 408

*Reference: PE Pipes in Applied Engineering

แรงดันที่เกิดขึ้นในท่อทั้งหมดหาได้จาก

สูตร Pt = Pw ± ΔP
Pt = แรงดันทั้งหมดที่เกิดขึ้นจาก Water Hammer (เมตร)
ΔP = แรงดันที่เพิ่มขึ้นจากการเกิด Water hammer (เมตร)
Pw = แรงดันใช้งานปกติ (เมตร)